CN108007575A - 一种基于二元数字编码双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置 - Google Patents
一种基于二元数字编码双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108007575A CN108007575A CN201711227767.8A CN201711227767A CN108007575A CN 108007575 A CN108007575 A CN 108007575A CN 201711227767 A CN201711227767 A CN 201711227767A CN 108007575 A CN108007575 A CN 108007575A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- polarization
- binary digit
- birefringece crystal
- imaging
- micro
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000010287 polarization Effects 0.000 title claims abstract description 147
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 125
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 86
- 238000003491 array Methods 0.000 claims abstract description 34
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 19
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 15
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 7
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 8
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 6
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 6
- 238000000711 polarimetry Methods 0.000 claims description 3
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910021532 Calcite Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 claims description 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 claims description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 6
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 abstract description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 1
- 238000007500 overflow downdraw method Methods 0.000 description 1
- 230000001575 pathological effect Effects 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 238000011897 real-time detection Methods 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J4/00—Measuring polarisation of light
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于二元数字编码双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置，包括：光谱滤光器(1)、成像镜头(2)、二元数字编码的双折射晶体薄片(3)，微偏振片阵列(4)，光强探测器(5)。本发明利用双折射晶体的双折射效应，采用微钠光学加工的方法对双折射晶体薄片进行二元数字编码，并与微偏振片阵列及光强探测器集成，形成结构紧凑、功能全面的全斯托克斯矢量偏振成像装置。本发明仅需一次曝光即可获取全斯托克斯矢量，实时性好；结构紧凑，***稳定；微光学结构尺度大，精度要求低，成本低，可批量化生产；对环境要求低，性能稳定；本发明可广泛应用于天文偏振成像、生物组织检测和医学诊断、遥感成像、及目标探测等重要领域。
Description
技术领域
本发明涉及结构紧凑的全斯托克斯矢量偏振成像领域，特别涉及一种基于二元数字编码双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置。
背景技术
偏振是光的固有属性，它反映了光的横波特性。相对于传统强度成像技术，偏振成像技术能够同时获取目标物体空间分布信息和理化信息，大大提高了目标信息量，具有传统强度成像所不具备的能力和特点。因此，偏振成像技术展现出了巨大的发展潜力，也成为国内外关注的研究和应用热点之一，广泛应用于天文观测，生物组织检测和医学诊断，大气环境和海洋监测，遥感成像，航天飞行器发动机结构缺陷检测，军事目标探测等重要领域。
最早出现的偏振成像装置以分时测量为主。这些偏振成像装置常常使用旋转波片(J.E.Ahmad and Y.Takakura.Error analysis for rotating active Stokes-Muellerimaging polarimeters[J].Optics Letters,2006,31:2858.)、光度调节(S.Alali,T.Yang,and I.A.Vitkin.Rapid time-gated polarimetric Stokes imaging usingphotoelastic modulators[J].Optics Letters,2013,38:2997.)或液晶空间光调制器(J.Guo,D.Ren,et al.Design and calibration of a high-sensitivity and high-accuracy polarimeter based on liquid crystal variable retarders[J].Researchin Astronomy and Astrophysics,2017,17:87.)等作为调制器件，获取不同偏振调制状态下的偏振成像结果，最终通过数据融合的方法，得到全斯托克斯矢量偏振成像结果。然而，这种分时成像结果需要至少四次不同时刻曝光的强度图像，在曝光过程中，目标物必须保持不动，应用领域受限。此外，光学部件的动态调制也带来了***误差，制约偏振成像的性能。
为了提高偏振成像的实时性，实现对动态目标进行偏振成像，R.M.A.Azzam于1985年首次提出采用分振幅的方式，利用四个光电探测器测量目标的偏振态(R.M.A.Azzam.Arrangement of four photodetectors for measuring the state ofpolarization of light[J].OpticsLetters,1985,10:309)。然而，这种结构需要将入射光分成多路子***，并采用多个成像探测器记录多幅偏振成像数据，存在***复杂、体积庞大、重量重、光学***一致性差、探测器性能和参数不一致等问题，研制了这种装置的发展和应用。随后，J.D.Perreault也对上述结构进行了适当改进，采用三个Wollaston棱镜实现全斯托克斯矢量的实时探测(J.D.Perreault.Triple Wollaston-prism complete-Stokesimaging polarimeter[J].Optics Letters,2013,38:3874)，但本质上仍属于分振幅偏振成像装置，***依然复杂，体积也很庞大，应用仍然受限。
相比于传统偏振成像技术，采用微偏振片阵列的分焦面偏振成像技术(V.Gruev,R.Perkins,and T.York.CCD polarization imaging sensor with aluminum nanowireoptical filters[J].Optics Express,2010,18:19087)，由于结构紧凑，其稳定性更好，探测实时性高，得到广泛应用。然而，这种偏振成像装置四个偏振调制通道均为线偏振调制，角度分别为0°、45°、90°和135°，因此，仅能用于探测目标线偏振分量，无法探测圆偏振光分量。
在实际应用中，圆偏振光分量是普遍存在的，探测全斯托克斯矢量才能全面反映目标的理化特性。在某些应用场景下，如天文应用(K.Wiersema,S.Covino,et al.Circularpolarizationin the optical afterglow of GRB 121024A[J].Nature,2014,509:201)、太阳磁场活动探测(J.Schou,J.M.Borrero,et al.Polarization Calibration of theHelioseismic and Magnetic Imager(HMI)onboard the Solar Dynamics Observatory(SDO)[J].Solar Physics,2012,275:327.)、生物医学病变组织偏振成像检测(S.Berthier,M.Thomé,et al.Circular polarization in nature:factual,theoreticaland experimental summary[J].Materials Today,2009,3:641.)、水下目标成像(R.E.Nothdurft,G.Yao.Effects of turbid media optical properties on objectvisibility in subsurface polarization imaging[J].Applied Optics,2006,45:5532.)、主动偏振成像(J.S.Tyo,D.L.Goldstein,et al.Review of passive imagingpolarimetry for remote sensing applications[J].Applied Optics,2006,45:5453.)等诸多领域有着广泛而重要的应用。因此，对目标进行全斯托克斯矢量成像探测，是偏振成像领域中不可缺少的应用需求。
鉴于全斯托克斯矢量偏振成像的重要性，本发明一种基于二元数字编码双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置，采用微光学方法对双折射晶体薄片进行二元数字编码，实现对不同像元的偏振相位延迟量进行调节，同时与微偏振片阵列相结合，安装于光强探测器光敏面上。每2×2个像元，可以看成一个微型偏振成像单元，其周期性布局可以实现对目标不同视场光束进行偏振测量，最终实现对目标的全视场偏振成像。相对于传统偏振成像装置，本发明提出的基于二元数字编码双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置，仅需一次曝光即可获取目标的全斯托克斯矢量偏振成像结果，结构紧凑，实时性强；且测量过程中无任何运动部件，无需任何电控信号调制，装置稳定性和精度能够得到保证；得益于双折射晶体性能的环境稳定性，本发明装置环境适应性强，环境要求低，适合多种复杂环境下使用；双折射晶体薄片二元数字编码精度要求低，尺度大，结构简单，因此加工成本低且可批量化生产。总之，本发明提出的一种基于二元数字编码双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置，创新性明显，实用性强，可广泛应用于目标探测、生物医学、天文观测、材料识别等多个领域。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对传统偏振成像装置结构复杂程度高、偏振成像参数不全面、相位调制器件工艺复杂、成本高等缺点，提出对双折射晶体薄片进行二元数字编码的方法，并将其作为偏振相移器件，与偏振片阵列共同组成新型偏振成像装置，实现对目标的全斯托克斯矢量实时偏振成像。该方法仅针对双折射晶体薄片加工像素级尺寸、几十微米级深度的一维沟槽，宽度大小为10-20μm，长度与光强探测器光敏面尺寸相当。由于双折射晶体薄片二元数字编码的尺度较大，精度要求低，因此加工难度较低，且易于批量化生产，创新性强，实用性显著。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于二元数字编码双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置，由光谱滤光器，成像镜头，二元数字编码的双折射晶体薄片，微偏振片阵列，光强探测器组成，其中：
光谱滤光器位于成像镜头前，用于对入射光束进行光谱滤光，将入射光的光谱范围限定在一定范围内。经过光谱滤光后的光束进入成像镜头中，并最终形成成像光束，依次经过二元数字编码的双折射晶体薄片和微偏振片阵列，最终到达光强探测器光敏面上。微偏振片阵列由不同偏振方向的检偏器组成，每2×2个像素构成一个周期，且单个像素的尺寸、位置与光强探测器的像素对应。二元数字编码的双折射晶体薄片的编码宽度与微偏振片阵和光强探测器发的像元宽度相等，位置对应。
设光强探测器的像元尺寸为h0×l0(其中h0为宽度，l0为长度)，像元阵列数为2m0×2n0，则对应微偏振阵列和的像元尺寸(h1×l1)(其中h1为宽度，l1为长度)及阵列数(2m1×2n1)应为：
h1＝h0,l1＝l0,2m1＝2m0,2n1＝2n0 (1)
二元数字编码的双折射晶体薄片的编码尺寸(h2×l2)(其中h2为宽度，l2为长度)和阵列数(2m2×2n2)应为：
h2＝h0,l2＝2n0l0,2m1＝2m0,2n1＝1 (2)
或
h2＝2m0h0,l2＝l0,2m1＝1,2n1＝2n0 (3)
经过成像镜头的光束依次经过二元编码的双折射晶体薄片、微偏振片阵列，并最终进入光强探测器中。由于二元数字编码的双折射晶体薄片、微偏振片阵列和光强探测器的像元均为周期性排列，因此，可以将单个周期内对应的2×2个像元序列视为4个不同的偏振分析器，并组合成一个微偏振仪，对特定空间位置的物点进行全斯托克斯矢量偏振成像。不同周期的偏振分析器组合相同，但由于分布与不同的空间位置，其能够对不同位置的物点进行偏振成像，因此，可以实现对成像视场内的物进行全斯托克斯矢量偏振成像。
设该全斯托克斯矢量偏振成像装置的周期为M×N，每2×2个像元构成一个宏像元，其宏像元尺寸为H×L(其中H为宽度，L为长度)，则其满足如下关系：
H＝2h0,L＝2l0,M＝m0,N＝n0 (4)
在单个宏像元内，不同子像元对应的二元数字编码的双折射晶体薄片厚度不同，微偏振片阵列的检偏角不同。设二元数字编码的双折射晶体薄片的快轴方向与水平方向夹角为α，对波长为λ的入射光双折射率分别为no和ne，二元编码的厚度分别为d1和d2，微偏振片阵列四个子像元检偏角分别为θ1，θ2，θ3和θ4，则成像光束进入二元数字编码的双折射晶体薄片宏像素内在不同子像素引起的相位延迟量δ1和δ2分别为：
因此，不同编码厚度对应子像素双折射晶体薄片的Mueller矩阵可以写为：
对应于单个宏像元内不同检偏角的微偏振片阵列，其Mueller矩阵可以写为：
设成像光束在单个宏像元位置的偏振态S用斯特诺克矢量表示为S＝[s0,s1,s2,s3]，则经过单个宏像元内2×2个子像元后，其出射光束的偏振态S′可以表示为：
S1'＝[s'01 s'11 s'21 s'31]T＝MP(θ1)·MR(α,δ1)·S (12)
S'2＝[s'02 s'12 s'22 s'32]T＝MP(θ2)·MR(α,δ2)·S (13)
S3'＝[s'03 s'13 s'23 s'33]T＝MP(θ3)·MR(α,δ1)·S (14)
S'4＝[s'04 s'14 s'24 s'34]T＝MP(θ4)·MR(α,δ2)·S (15)
由于光强探测器能够探测光束强度信息，因此联立公式(12)～(15)后可得到对应单个宏像素内2×2个子像元探测强度[I1,I2,I3,I4]T可以表示为：
其中：
由此，可以求解入射光束的全斯托克斯矢量，如下式所示：
从公式(21)可以求解对应空间位置的全斯托克斯矢量偏振成像结果。
由于宏像元的周期性排列，且每个宏像素内的双折射晶体薄片厚度以及微偏振片阵列检偏角均保持一致，因此，对不同空间位置偏振成像的系数矩阵A不会发生改变，光强探测器探测强度仅与2×2像元对应入射光的偏振态有关，即可以通过一次矩阵运算，获取空间分布的物的偏振成像结果。
其中，采用对双折射晶体薄片进行二元数字编码的方式，通过不同编码厚度调节偏振成像相位延迟量，并利用分焦面方法实现对不同视场目标物进行全斯托克斯矢量偏振成像探测。优点在于结构紧凑，功能全面，性能稳定。
其中，光谱滤光器的作用是将入射光的光谱限制在一定的带宽范围内，其可以使用光栅光谱仪、干涉滤光器、原子滤光器以及双折射滤光器等。
其中，成像镜头可以采用透射式成像镜头，也可以采用反射式成像镜头。
其中，光强探测器能够探测入射光束的强度，且具有一定规模的周期性单元分布，其可以采用CCD相机、CMOS相机、EMCCD相机等。
其中，双折射晶体薄片能够对入射的偏振光束产生双折射效应，其可以为石英晶体、方解石晶体等。
其中，二元数字编码双折射晶体薄片可以利用纳米压印、刻蚀等微钠光学方法加工不同的厚度，使入射光的相位延迟量发生改变。其可以采用横向二元数字编码的方式，也可以采用纵向二元数字编码的方式。
其中，二元数字编码双折射晶体薄片、微偏振片阵列单元大小不仅可以一一对应于单个光强探测器单元，也可以对应于任意多个光强探测器单元。
本发明的原理在于：本发明提出采用全新的基于二元数字编码的双折射晶体薄片与微偏振片阵列组成的周期性阵列作为偏振调制器件，并与光强探测器像元一一对应，从而构成微偏振仪阵列，实现对不同视场目标进行全斯托克斯矢量偏振成像。该方法仅需要对双折射晶体薄片加工像素级宽度(10-20μm)、光强探测器光敏面大小相当的长度(1-2cm)、10-50μm深度的二元数字编码结构，并与微偏振片阵列结合，对入射光束进行空间偏振调制，最终通过光强探测器探测强度的变化反演入射光的偏振信息，实现对不同目标全斯托克斯矢量的偏振成像。本发明仅需一次曝光即可获取目标的全斯托克斯矢量偏振成像结果，结构紧凑，实时性强；且测量过程中无任何运动部件，无需任何电控信号调制，装置稳定性和精度能够得到保证；得益于双折射晶体性能的环境稳定性，本发明装置环境适应性强，环境要求低，适合多种复杂环境下使用；双折射晶体薄片二元数字编码精度要求低，尺度大，结构简单，因此加工成本低且可批量化生产。总之，本发明提出的一种基于二元数字编码双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置，创新性明显，实用性强，可用于目标探测、生物医学、天文观测、材料识别等多个领域。
本发明与现有技术相比有如下优点：
(1).相对于传统分时型偏振成像装置，本发明仅需一次曝光就可以实现对目标全斯托克斯矢量偏振成像，实时性强，结构紧凑简单，避免了传统分时测量时由于目标运动、目标光强闪烁、***结构不稳定、运动部件转台不一致等带来的探测误差，有效提高探测精度和灵敏度。
(2).相对于传统的分振幅型偏振成像装置，本发明结构紧凑、***简单、重量轻、光学***一致性极好、避免了探测器性能和参数的不一致问题，***误差降低，稳定性好，便携性提高，创新性和实用性明显。
(3).相对于传统的分焦面型偏振成像装置，本发明引入二元数字编码的双折射晶体薄片作为偏振相位调制器件，能够通过仅一次曝光就可以获取目标全斯托克斯矢量信息，获取目标信息更全面，参数更完备，实用性显著提高。
(4).本发明提出的一种基于二元数字编码的双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置，无需中继光学***和额外分光元件，对透射元件的色散性能要求不高，提高有效探测光谱范围。同时，大大降低***像差和光谱串扰，提高偏振斯托克斯矢量探测的精度和灵敏度。
(5).本发明提出的一种基于二元数字编码的双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置，采用对双折射晶体进行二元数字编码的方法实现传统几何光学元器件的功能，其结构紧凑，且测量过程中无任何运动部件，无需任何电控信号调制，装置稳定性和精度能够得到保证。
(6).本发明提出的一种基于二元数字编码的双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置，采用的双折射晶体环境稳定性强，环境要求低，适合多种复杂环境下使用；双折射晶体薄片二元数字编码精度要求低，尺度大，结构简单，因此加工成本低且可批量化生产。
总之，本发明提出的一种基于二元数字编码双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置，创新性明显，实用性强，可用于目标探测、生物医学、天文观测、材料识别等多个领域。
附图说明
图1为一种基于二元数字编码的双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置。其中，1为光谱滤光器，2为成像镜头，3为二元数字编码的双折射晶体薄片，4为微偏振片阵列，5为光强探测器。
图2为本发明提出基于二元数字编码的双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置一种可能的具体实现方式，其中：EBC—二元数字编码的双折射晶体薄片，MPA—微偏振片阵列，Camera—光强探测器，Fast axis：双折射晶体薄片的快轴方向与水平方向夹角。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实例进一步说明本发明。
如图1所示，一种基于二元数字编码双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置，由光谱滤光器1，成像镜头2，二元数字编码的双折射晶体薄片3，微偏振片阵列4，光强探测器5组成。光谱滤光器1位于成像镜头2前，用于对入射光束进行光谱滤光，将入射光的光谱范围限定在一定范围内，获取显著的目标偏振特性。经过光谱滤光后的入射光束进入成像镜头2中，并最终形成成像光束，依次经过二元数字编码的双折射晶体薄片3和微偏振片阵列4，最终到达光强探测器5的光敏面上。微偏振片阵列4由不同偏振方向的检偏器组成，每2×2个像素构成一个周期，且单个像素的尺寸、位置与光强探测器5的像素对应。二元数字编码的双折射晶体薄片3的编码宽度与微偏振片阵4和光强探测器5发的像元宽度相等，位置对应。双折射晶体薄片二元数字编码尺度与微偏振阵列4及光强探测器5的像元尺度对应关系分别如公式(1)～(3)所示。
经过成像镜头2的光束依次经过二元编码的双折射晶体薄片3、微偏振片阵列4，并最终进入光强探测器5中。由于二元数字编码的双折射晶体薄片3、微偏振片阵列4和光强探测器5的像元均为周期性排列，因此，可以将单个周期内对应的2×2个像元序列视为4个不同的偏振分析器，并组合成一个微偏振仪，对特定空间位置的物点进行全斯托克斯矢量偏振成像。不同周期的偏振分析器组合相同，但由于分布与不同的空间位置，其能够对不同位置的物点进行偏振成像，因此，可以实现对成像视场内的物进行全斯托克斯矢量偏振成像。设该全斯托克斯矢量偏振成像装置每2×2个像元构成一个宏像元，在单个宏像元内，不同子像元对应的二元数字编码的双折射晶体薄片3厚度不同，微偏振片阵列4的检偏角不同。设二元数字编码的双折射晶体薄片3的快轴方向与水平方向夹角为α，对波长为λ的入射光双折射率分别为no和ne，二元编码的厚度分别为d1和d2，微偏振片阵列4四个子像元检偏角分别为θ1，θ2，θ3和θ4，则成像光束进入二元数字编码的双折射晶体薄片3宏像素内在不同子像素引起的相位延迟量δ1和δ2如公式(5)所示。
根据不同数字编码厚度对应子像素双折射晶体薄片以及不同检偏角的微偏振片阵列Mueller矩阵(分别如公式(6)～(11)所示)，以及偏振调制传递公式(12)～(15)，可以求解单个宏像素探测强度与入射光全斯托克斯矢量参数之间的定量关系，如公式(16)以及(17)～(20)所示。最终，根据实际光强测量值，并代入公式(21)中，即可求解对应空间位置的全斯托克斯矢量偏振成像结果。
由于宏像元的周期性排列，且每个宏像素内的双折射晶体薄片厚度以及微偏振片阵列检偏角均一致，因此，对不同空间位置偏振成像的系数矩阵A不会发生改变，仅宏像元内光强探测器2×2像元探测到的光强与入射光的偏振态有关，即可以通过一次矩阵运算，获取空间分布的物的偏振成像结果。
在实际应用中，***结构参数不是完全随机选择的，需要满足一定的限制条件，即：公式(16)中系数矩阵A为满秩，这样方程才能够取得唯一解。
此外，在实际应用中，还需要考虑由于双折射晶体材料和参数的选择对本发明提出新型偏振成像装置性能的影响。在实际应用中常使用系数矩阵条件数，来衡量***的误差传递性能，通过极小化系数矩阵条件数，寻求最优的装置参数，获得最小的误差传递系数。
图2给出了本发明提出的全斯托克斯矢量偏振成像装置一种可能的实现方式。其中，光谱滤光器中心透过光谱波长为632.8nm，双折射晶体材料为石英，对o光和e光的双折射率分别为1.54264324和1.5517112，二元编码深度为9.0μm和26.5μm，快轴方向与水平方向夹角为22.21°，微偏振片阵列采用商业化的微偏振片阵列，检偏角分别为(0°，45°，90°，135°)。采用上述参数，在保证系数矩阵满秩的同时，条件数也取得最小值为2.0。
需要指出的是，图2仅给出了一种实现方式，基于本发明提出的实现方法，存在无穷多种可能的实现方式，只要满足本发明的基本特征，均应涵盖在本发明的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭示的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于二元数字编码双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置，其特征在于：由光谱滤光器(1)，成像镜头(2)，二元数字编码的双折射晶体薄片(3)，微偏振片阵列(4)，光强探测器(5)组成，其中：
光谱滤光器(1)位于成像镜头(2)前，用于对入射光束进行光谱滤光，将入射光的光谱范围限定在一定范围内，经过光谱滤光后的光束进入成像镜头(2)中，并最终形成成像光束，依次经过二元数字编码的双折射晶体薄片(3)和微偏振片阵列(4)，最终到达光强探测器(5)光敏面上，微偏振片阵列(4)由不同偏振方向的检偏器组成，每2×2个像素构成一个周期，且单个像素的尺寸、位置与光强探测器(5)的像素对应，二元数字编码的双折射晶体薄片(3)的编码宽度与微偏振片阵(4)和光强探测器(5)的像元宽度相等，位置对应；
其中，二元数字编码的双折射晶体薄片编码方向可为横向或纵向；
经过成像镜头(2)的光束依次经过二元编码的双折射晶体薄片(3)、微偏振片阵列(4)，并最终进入光强探测器(5)中，由于二元数字编码的双折射晶体薄片(3)、微偏振片阵列(4)和光强探测器(5)的像元均为周期性排列，因此，可以将单个周期内对应的2×2个像元序列视为4个不同的偏振分析器，并组合成一个微偏振仪，对特定空间位置的物点进行全斯托克斯矢量偏振成像，不同周期的偏振分析器组合相同，但由于分布与不同的空间位置，其能够对不同位置的物点进行偏振成像，因此，可以实现对成像视场内的物进行全斯托克斯矢量偏振成像；
设该全斯托克斯矢量偏振成像装置的周期为M×N，每2×2个像元构成一个宏像元，在单个宏像元内，不同子像元对应的二元数字编码的双折射晶体薄片(3)厚度不同，微偏振片阵列(4)的检偏角也不同，从而定量改变入射偏振光的偏振态，实现对入射成像光束进行空间偏振调制，最终根据光强探测器(5)对应单个宏像素内相邻四个像元探测到的光强值计算目标的偏振态，实现全斯托克斯矢量的偏振成像；
由于宏像元的周期性排列，且每个宏像素内的双折射晶体薄片厚度以及微偏振片阵列检偏角均保持一致，因此，对不同空间位置偏振成像的系数矩阵不会发生改变，光强探测器探测强度仅与宏像元内入射光的偏振态有关，即可以通过一次矩阵运算，获取空间分布的物的偏振成像结果。
2.根据权利要求1所述的基于二元数字编码双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置，其特征在于：采用对双折射晶体薄片进行二元数字编码的方式，通过不同编码厚度调节偏振成像相位延迟量，并利用分焦面方法实现对不同视场目标物进行全斯托克斯矢量偏振成像探测，优点在于结构紧凑，功能全面，性能稳定。
3.根据权利要求1所述的基于二元数字编码双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置，其特征在于：光谱滤光器(1)作用是将入射光的光谱限制在一定的带宽范围内，其可以使用光栅光谱仪、干涉滤光器、原子滤光器以及双折射滤光器，只要满足偏振测量应用中***要求即可。
4.根据权利要求1所述的基于二元数字编码双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置，其特征在于：成像镜头(2)可以采用透射式成像镜头，也可以采用反射式成像镜头，只要满足对目标物进行成像的功能即可，不局限于特定的成像镜头设计形式和具体样式。
5.根据权利要求1所述的基于二元数字编码双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置，其特征在于：光强探测器(5)能够探测入射光束的强度，且具有一定规模的周期性单元分布，其可以采用CCD相机、CMOS相机、EMCCD相机，只要满足光强探测和采集功能即可。
6.根据权利要求1所述的基于二元数字编码双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置，其特征在于：二元数字编码的双折射晶体薄片能够对不同偏振方向的光束产生双折射效应，其可以为石英晶体、方解石晶体，满足双折射晶体材料的双折射特性即可。
7.根据权利要求2所述的基于二元数字编码双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置，其特征在于：二元数字编码双折射晶体薄片利用纳米压印、刻蚀等微钠光学方法加工不同的厚度，使入射光的相位延迟量发生改变，其可以采用横向二元数字编码的方式，也可以采用纵向二元数字编码的方式，只要符合二元数字编码的特征，通过改变厚度调节相位延迟量。
8.根据权利要求1所述的基于二元数字编码双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置，其特征在于：二元数字编码双折射晶体薄片、微偏振片阵列单元大小不仅可以一一对应于单个光强探测器单元，也可以对应于任意多个光强探测器单元。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711227767.8A CN108007575A (zh) | 2017-11-29 | 2017-11-29 | 一种基于二元数字编码双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711227767.8A CN108007575A (zh) | 2017-11-29 | 2017-11-29 | 一种基于二元数字编码双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108007575A true CN108007575A (zh) | 2018-05-08 |
Family
ID=62054920
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711227767.8A Pending CN108007575A (zh) | 2017-11-29 | 2017-11-29 | 一种基于二元数字编码双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108007575A (zh) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110057754A (zh) * | 2019-05-23 | 2019-07-26 | 南京信息工程大学 | 一种用于水下偏振成像的分孔径光学镜头 |
| CN110543028A (zh) * | 2019-09-12 | 2019-12-06 | 中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心 | 一种满足微光成像的实时偏振成像阵列结构 |
| JP2020051868A (ja) * | 2018-09-26 | 2020-04-02 | 日本電信電話株式会社 | 偏光イメージング撮像システム |
| CN111562223A (zh) * | 2019-03-25 | 2020-08-21 | 上海昊量光电设备有限公司 | 一种基于微偏振片阵列的偏振成像装置及方法 |
| CN111953968A (zh) * | 2020-08-17 | 2020-11-17 | 桂林电子科技大学 | 一种空间调制偏振成像检测像面长宽和像元长宽比的方法 |
| CN112161707A (zh) * | 2020-09-25 | 2021-01-01 | 西北工业大学深圳研究院 | 一种微偏振阵列设计模型及其排布模式获取方法 |
| CN113588216A (zh) * | 2021-08-02 | 2021-11-02 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种偏振片光学零位快速高精度定标装置和方法 |
| CN114216562A (zh) * | 2021-12-16 | 2022-03-22 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种强度-时间积分型快速偏振成像方法及装置 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090273784A1 (en) * | 2002-01-17 | 2009-11-05 | The Furukawa Electric Co, Ltd. | Stokes parameter measurement device and method |
| CN106525242A (zh) * | 2016-12-02 | 2017-03-22 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的装置 |
-
2017
- 2017-11-29 CN CN201711227767.8A patent/CN108007575A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090273784A1 (en) * | 2002-01-17 | 2009-11-05 | The Furukawa Electric Co, Ltd. | Stokes parameter measurement device and method |
| CN106525242A (zh) * | 2016-12-02 | 2017-03-22 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种可用于太阳偏振斯托克斯矢量实时测量的装置 |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2020051868A (ja) * | 2018-09-26 | 2020-04-02 | 日本電信電話株式会社 | 偏光イメージング撮像システム |
| WO2020066738A1 (ja) * | 2018-09-26 | 2020-04-02 | 日本電信電話株式会社 | 偏光イメージング撮像システム |
| CN111562223A (zh) * | 2019-03-25 | 2020-08-21 | 上海昊量光电设备有限公司 | 一种基于微偏振片阵列的偏振成像装置及方法 |
| CN110057754A (zh) * | 2019-05-23 | 2019-07-26 | 南京信息工程大学 | 一种用于水下偏振成像的分孔径光学镜头 |
| CN110057754B (zh) * | 2019-05-23 | 2024-04-19 | 南京信息工程大学 | 一种用于水下偏振成像的分孔径光学镜头 |
| CN110543028A (zh) * | 2019-09-12 | 2019-12-06 | 中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心 | 一种满足微光成像的实时偏振成像阵列结构 |
| CN111953968B (zh) * | 2020-08-17 | 2022-07-12 | 桂林电子科技大学 | 一种空间调制偏振成像检测像面长宽和像元长宽比的方法 |
| CN111953968A (zh) * | 2020-08-17 | 2020-11-17 | 桂林电子科技大学 | 一种空间调制偏振成像检测像面长宽和像元长宽比的方法 |
| CN112161707A (zh) * | 2020-09-25 | 2021-01-01 | 西北工业大学深圳研究院 | 一种微偏振阵列设计模型及其排布模式获取方法 |
| CN113588216A (zh) * | 2021-08-02 | 2021-11-02 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种偏振片光学零位快速高精度定标装置和方法 |
| CN113588216B (zh) * | 2021-08-02 | 2023-09-19 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种偏振片光学零位快速高精度定标装置和方法 |
| CN114216562A (zh) * | 2021-12-16 | 2022-03-22 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种强度-时间积分型快速偏振成像方法及装置 |
| CN114216562B (zh) * | 2021-12-16 | 2023-06-30 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种强度-时间积分型快速偏振成像方法及装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108007575A (zh) | 一种基于二元数字编码双折射晶体的小型化全斯托克斯矢量偏振成像装置 | |
| CN108489614A (zh) | 一种基于双胶合数字编码双折射晶体薄片的结构紧凑型全斯托克斯矢量偏振成像装置 | |
| Onuma et al. | A development of two-dimensional birefringence distribution measurement system with a sampling rate of 1.3 MHz | |
| US9880094B2 (en) | Infrared detection and imaging device with no moving parts | |
| US6674532B2 (en) | Interferometric polarization interrogating filter assembly and method | |
| US9097585B2 (en) | Spectrographic polarimeter and method of recording state of polarity | |
| CN100451677C (zh) | 高光谱全偏振成像遥感*** | |
| Sattar et al. | Review of spectral and polarization imaging systems | |
| CN109764964A (zh) | 一种推扫式偏振光谱成像微***、成像方法及制备方法 | |
| JP5254323B2 (ja) | 光学歪み計測装置 | |
| Gu et al. | Design and analysis of a novel compact and simultaneous polarimeter for complete Stokes polarization imaging with a piece of encoded birefringent crystal and a micropolarizer array | |
| CN102620830B (zh) | 一种地基气辉成像干涉仪及其探测高层大气风速和温度方法 | |
| Wang et al. | Principle and implementation of stokes vector polarization imaging technology | |
| US9535200B2 (en) | Complete-stokes fourier-domain imaging polarimeter | |
| US11530953B2 (en) | Snapshot Mueller matrix polarimeter | |
| US20100039646A1 (en) | Polarimetric imaging system having a matrix of programmable waveplates based on a material with an isotropic electrooptic tensor | |
| CN209639829U (zh) | 一种推扫式偏振光谱成像微*** | |
| CN109991792A (zh) | 与液晶偏振干涉仪一起使用的滤色器 | |
| Gu et al. | Numeric study of novel compact polarimeter for full-stokes polarization imaging without micro-polarizer array | |
| Cao et al. | Diffraction‐limited Polarimetry from the Infrared Imaging Magnetograph at Big Bear Solar Observatory | |
| Zhang et al. | Bi-channel compressive hyperspectral imager based on polarization conversion metasurface | |
| Wu et al. | Polarized spectral measurement and analysis of sedum spectabile boreau using a field imaging spectrometer system | |
| Gorbunov et al. | Polarization hyperspectrometers: A review | |
| US10911696B2 (en) | Broad band camera core | |
| Li et al. | Complete description of the optical path difference of a novel spectral zooming imaging spectrometer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180508 |